(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と該圧電基板よりも熱膨張係数の小さい支持基板とを接合した複合基板であって、
前記支持基板は、前記圧電基板に接合されている第１面と該第１面とは反対側の第２面とを有し、熱膨張係数及びヤング率のいずれか一方の特定物性値は、前記第２面から前記第１面又は前記第２面から前記第１面と前記第２面との中間位置までは厚さ方向に進むにつれて小さくなる、
複合基板。
【請求項２】
前記特定物性値は、前記中間位置から前記第１面までは厚さ方向に進むにつれて大きくなる、
請求項１に記載の複合基板。
【請求項３】
前記特定物性値は、熱膨張係数であり、前記第１面及び前記第２面での熱膨張係数は、前記圧電基板の熱膨張係数と実質的に同じである、
請求項２に記載の複合基板。
【請求項４】
前記特定物性値は、前記中間位置から前記第１面までは厚さ方向に進むにつれて略一定である、
請求項１に記載の複合基板。
【請求項５】
前記特定物性値は、前記中間位置から前記第１面までは厚さ方向に進むにつれて小さくなる、
請求項１に記載の複合基板。
【請求項６】
前記支持基板は、組成の異なる少なくとも３層の積層体を焼成したものである、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合基板。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の複合基板と、
前記複合基板のうち前記圧電基板の表面に形成された弾性波デバイス用の電極と、
を備えた弾性波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合基板及び弾性波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、弾性波デバイスの周波数温度特性を改善する目的で、熱膨張係数の小さな支持基板上に圧電基板を接合した複合基板が用いられている。こうした複合基板を用いて弾性波デバイスを作製する一般的な工程は、次のとおりである。まず、複合基板のうち圧電基板の表面に弾性波デバイス用の電極を形成する。圧電基板の表面は、多数の弾性波デバイスが形成されるように区画されており、各弾性波デバイスに対応する位置に弾性波デバイス用の電極をフォトリソグラフィ技術を利用して形成する。次に、複合基板を区画に沿ってダイシングすることにより、多数の弾性波デバイスを得る。【０００３】
しかしながら、弾性波デバイスを作製する工程で複合基板に熱が加わると、圧電基板と支持基板との間の熱膨張差に起因する応力が発生する。そのため、複合基板が大きく変形し、電極幅の精度が低下し、周波数特性が劣化することがあった。また、場合によっては、圧電基板と支持基板との界面に発生する応力のため、圧電基板が支持基板から剥離したり破損したりすることがあった。このような問題を解決する方法として、支持基板のうち圧電基板を接合した接合面とは反対側の面に、熱膨張係数が圧電基板と同等の補償層を設けて３層構造の複合基板にすることが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７４０８２８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の複合基板を作製するには、非常に複雑なプロセスが必要であり、実現困難であった。【０００６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、比較的簡単な構造で良好な特性を持つ複合基板及びそれを用いた弾性波デバイスを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。【０００８】
本発明の複合基板は、
圧電基板と該圧電基板よりも熱膨張係数の小さい支持基板とを接合した複合基板であって、
前記支持基板は、前記圧電基板に接合されている第１面と該第１面とは反対側の第２面とを有し、熱膨張係数及びヤング率のいずれか一方の特定物性値は、前記第２面から前記第１面又は前記第２面から前記第１面と前記第２面との中間位置までは厚さ方向に進むにつれて小さくなる
ものである。【０００９】
なお、「中間位置」とは、第１面と第２面との間であればどのような位置でもよく、例えば、第１面と第２面との真ん中の位置であってもよいし、真ん中から第１面に近い位置であってもよいし、真ん中から第２面に近い位置であってもよい。【００１０】
本発明の弾性波デバイスは、
上述した複合基板と、
前記複合基板のうち前記圧電基板の表面に形成された弾性波デバイス用の電極と、
を備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の複合基板では、いわゆる傾斜機能材料で作製された支持基板を用いることができるため、比較的簡単な構造になる。また、例えば特定物性値が熱膨張係数の場合、支持基板の第２面から中間位置までは厚さ方向に進むにつれて熱膨張係数が小さくなる。そのため、本発明の複合基板を用いて作製した弾性波デバイスでは、周波数特性の温度変化係数が従来の支持基板を用いて作製した弾性波デバイスと同等又はそれ以上に改善される。また、複合基板を加熱したときに生じる基板の反りも小さく抑えることができる。一方、特定物性値がヤング率の場合、支持基板の第２面から中間位置までは厚さ方向に進むにつれてヤング率が小さくなる。そのため、圧電基板と支持基板との接合面における熱応力が顕著に減少し、両基板の剥離を顕著に防止することができる。【００１２】
本発明の弾性波デバイスでは、上述した本発明の複合基板を用いている。そのため、特定物性値が熱膨張係数の場合、その複合基板を用いて作製した弾性波デバイスでは、周波数特性の温度変化係数が従来の支持基板を用いて作製した弾性波デバイスに比べて同等又はそれ以上に改善される。一方、特定物性値がヤング率の場合、その複合基板を用いて作製した弾性波デバイスでは、圧電基板と支持基板との接合面における応力が顕著に減少し、両基板の剥離を顕著に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】複合基板１０の斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】支持基板１４の厚さ方向の熱膨張係数の変化を示すグラフ。
【図４】弾性波デバイス３０の製造過程を示す説明図。
【図５】支持基板１４の厚さ方向の熱膨張係数の変化を示すグラフ。
【図６】実施例１で用いた支持基板の厚さ方向の熱膨張係数の変化を示すグラフ。
【図７】実施例２で用いた支持基板の厚さ方向の熱膨張係数の変化を示すグラフ。
【図８】実施例３で用いた支持基板の厚さ方向のヤング率の変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の複合基板１０の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。この複合基板１０は、圧電基板１２と、支持基板１４とを備えている。
【００１５】
圧電基板１２は、弾性波を伝搬可能な基板である。この圧電基板１２の材質としては、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、水晶、ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ランガサイト（ＬＧＳ）、ランガテイト（ＬＧＴ）などが挙げられる。このうち、ＬＴ又はＬＮが好ましい。ＬＴやＬＮは、弾性表面波の伝搬速度が速く、電気機械結合係数が大きいため、高周波数且つ広帯域周波数用の弾性波デバイスとして適しているからである。圧電基板１２の大きさは、例えば、直径が５０〜１５０ｍｍ、厚さが０．２〜５０μｍである。圧電基板１２に用いられる代表的な材質の熱膨張係数を表１に示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
支持基板１４は、基板の厚さ方向での熱膨張係数が変化しているが、圧電基板１２よりも支持基板１４の熱膨張係数が小さいものであり、圧電基板１２の裏面に直接接合により接合されているか有機接着層を介して接合されている。支持基板１４を圧電基板１２よりも熱膨張係数が小さいものとすることで、温度が変化したときの圧電基板１２の大きさの変化を抑制し、複合基板１０を弾性波デバイスとして用いた場合における周波数特性の温度変化を抑制することができる。この支持基板１４は、圧電基板１２に接合されている第１面１４ａと、第１面１４ａとは反対側の第２面１４ｂとを有している。支持基板１４は、厚さ方向に熱膨張係数が変化する傾斜機能材料で作製されている。図３に、支持基板１４の厚さ方向と熱膨張係数との関係を示した。３つのパターンＬ１〜Ｌ３とも、支持基板１４の熱膨張係数は、第２面１４ｂから第１面１４ａと第２面１４ｂとの中間位置１４ｃまでは厚さ方向に進むにつれて小さくなっている。また、熱膨張係数は、パターンＬ１では中間位置１４ｃから第１面１４ａまで略一定であり、パターンＬ２では中間位置１４ｃから第１面１４ａまで厚さ方向に進むにつれて大きくなり、パターンＬ３では中間位置１４ｃから第１面１４ａまで厚さ方向に進むにつれて小さくなっている。また、３つのパターンＬ１〜Ｌ３とも、第２面１４ｂでの熱膨張係数は、中間位置１４ｃより大きくなっている。複合基板１０の反りを抑制するにあたり、第２面１４ｂでの熱膨張係数は、圧電基板１２の熱膨張係数と実質的に同程度の大きさであることが望ましい。パターンＬ２では、第１面１４ａでの熱膨張係数も、圧電基板１２の熱膨張係数と実質的に同じであることが好ましい。なお、「実質的に同じ」とは、同じである場合のほか、差が±１０％以内である場合も含む。例えば、圧電基板１２がＬＴ（熱膨張係数１６．１ｐｐｍ／℃）の場合には、第２面１４ｂでの熱膨張係数は１５〜１７ｐｐｍ／℃となっている。支持基板１４の大きさは、例えば、直径が５０〜１５０ｍｍ、厚さが１００〜５００μｍである。
【００１８】
支持基板１４の中間位置１４ｃは、第１面１４ａと第２面１４ｂとの間の位置であれば特に限定されるものではなく、例えば、第１面１４ａと第２面１４ｂとの真ん中の位置であってもよいし、真ん中から第１面１４ａに近い位置であってもよいし、真ん中から第２面１４ｂに近い位置であってもよい。
【００１９】
次に、こうした複合基板１０を製造する方法について説明する。まず、支持基板１４を作製する。支持基板１４は、所望の特性が得られるように材料成分を調整した３つ以上の成形体（例えばグリーンシート）を積層して積層体とした後、その積層体を焼成することにより作製することができる。なお、材料成分としては、各種のセラミックス原料粉末などが挙げられる。その代表例を表２に示す。表１に示した各種圧電材料の粉末は、支持基板の一部としても用いることができ、表２に示したセラミックスとの複合材料とすることも可能である。続いて、支持基板１４と圧電基板１２とを接合する。具体的には、支持基板１４の第１面１４ａと圧電基板１２の裏面とを接合する。接合方法は、直接接合でもよいし、有機接着層を介して接合してもよい。直接接合の場合には、まず、両基板１２，１４の接合面を洗浄し、該接合面に付着している汚れを除去する。次に、真空中で両基板１２，１４の接合面にアルゴン等の不活性ガスのイオンビームを照射することで、残留した不純物（酸化膜や吸着物等）を除去すると共に接合面を活性化させる。その後、真空中、常温で両基板１２，１４を貼り合わせる。有機接着層を介して接合する場合には、まず、支持基板１４の第１面１４ａ及び圧電基板１２の裏面の一方又は両方に有機接着剤を均一に塗布し、両者を重ね合わせた状態で有機接着剤を固化させることにより接合する。以上のようにして、複合基板１０が得られる。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
次に、こうした複合基板１０を用いて弾性波デバイスを作製する方法について、図４を用いて以下に説明する。図４は、弾性波デバイス３０の製造過程を示す説明図である。まず、複合基板１０のうち圧電基板１２の表面に弾性波デバイス用の電極３１を形成する。圧電基板１２の表面は、多数の弾性波デバイスが形成されるように区画されており、各弾性波デバイスに対応する位置に弾性波デバイス用の電極３１をフォトリソグラフィ技術を利用して形成する。なお、電極３１は、ＩＤＴ電極３２，３４と反射電極３６とからなるものである。続いて、区画に沿ってダイシングすることにより、多数の弾性波デバイス３０を得る。得られた弾性波デバイス３０は、入力側のＩＤＴ電極３２に高周波信号を印加すると、電極間に電界が発生し、弾性表面波が励振されて圧電基板１２上を伝搬していく。そして、伝搬方向に設けられた出力側のＩＤＴ電極３４から、伝搬された弾性表面波を電気信号として取り出すことができる。つまり、弾性波デバイス３０は、弾性表面波デバイスである。
【００２２】
以上説明した本実施形態によれば、いわゆる傾斜機能材料で作製された支持基板１４を用いることができるため、比較的簡単な構造になる。また、支持基板１４の熱膨張係数は、図３のパターンＬ１〜Ｌ３に示すように、支持基板１４の第２面１４ｂから中間位置１４ｃまでは厚さ方向に進むにつれて小さくなる。そのため、複合基板１０を用いて作製した弾性波デバイスでは、周波数特性の温度変化係数が従来の支持基板を用いて作製した弾性波デバイスと同等又はそれ以上に改善される。また、複合基板１０を加熱したときに生じる基板の反りも小さく抑えることができる。
【００２３】
反りを抑制する効果は、パターンＬ２（第１面１４ａにおける熱膨張係数と第２面１４ｂにおける熱膨張係数とが圧電基板１２の熱膨張係数と同じか略同じであり、第２面１４ｂから中間位置１４ｃに向かって熱膨張係数は小さくなり、中間位置１４ｃから第１面１４ａに向かって熱膨張係数は大きくなるパターン）を採用した方がパターンＬ１，Ｌ３よりも顕著になる。一方、周波数特性の温度変化係数（ＴＣＦ；Temperature Coefficient of Frequency）の改善効果は、第１面１４ａの熱膨張係数が低い方が高いため、パターンＬ１，Ｌ３の方がパターンＬ２よりも顕著になる。
【００２４】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００２５】
例えば、上述した実施形態では、支持基板１４の厚さ方向の熱膨張係数の変化を表すパターンＬ１〜Ｌ３は、図３に示すように滑らかな曲線として説明したが、ステップ関数的なパターンとしてもよい。例えばパターンＬ２については、図５の実線に示すようなパターンとしてもよい。
【００２６】
また、支持基板１４の厚さ方向の熱膨張係数は、第２面１４ｂから中間位置１４ｃに向かって小さくなっていればよく、例えばパターンＬ２の第２面１４ｂから中間位置１４ｃに向かう形状を図５の２点鎖線に示すようなＳ字状としてもよい。更に、３つ以上の成形体を積層した積層体を焼成することにより支持基板１４を作製する場合、そのうちの１層の熱膨張係数が圧電基板１２より小さければよく、その他の層の熱膨張係数は圧電基板１２より小さいことが好ましいが、大きいものがあってもよい。
【実施例】
【００２７】
［実施例１］
圧電基板として、厚み１８０μｍ、直径１００ｍｍのＬｉＴａＯ3基板を用意した。また、支持基板として、基板厚み方向の熱膨張係数が図６に示すように変化する傾斜機能材料からなる厚み２００μｍ、直径１００ｍｍの基板を用意した。この支持基板は、第１面での熱膨張係数が３ｐｐｍ／℃、中間位置での熱膨張係数が３ｐｐｍ／℃、第２面での熱膨張係数が１６ｐｐｍ／℃となるようにした。こうした支持基板は、以下のように作製した。まず、窒化ケイ素、ジルコニア、タンタル酸リチウムの３種の材料粉末を準備した。次に、図６に示すような熱膨張係数になるように重量比率を調整し、５枚の薄いグリーンシートを作製した。そして、これらのグリーンシートを積層した後一体焼成した。【００２８】
そして、圧電基板と支持基板とを１０-6Ｐａ台の真空度を保つ真空チャンバーに導入し、圧電基板の裏面と支持基板の第１面とを対向させて保持した。圧電基板の裏面と支持基板の第１面にＡｒビームを８０ｓｅｃ間照射し、表面の不活性層を除去し活性化した。次いで、両基板を接触させ、１２００ｋｇｆの荷重をかけて接合し、貼り合わせ基板とした。この貼り合わせ基板を真空チャンバーから取り出した後、研削加工機により圧電基板を厚みが３０μｍになるまで研削した。次いで、研削後の貼り合わせ基板をラップ加工機にセットし、ダイヤモンドスラリーを用いて圧電基板を厚みが２１μｍになるまで研磨した。更に、圧電基板の表面をＣＭＰ研磨機で厚みが２０μｍになるまで研磨し、加工変質層を除去した。このとき、研磨剤としてコロイダルシリカを用いた。このようにして実施例１の複合基板を得た。【００２９】
［比較例１］
支持基板として、基板厚み方向の熱膨張係数が３ｐｐｍ／℃（一定値）のシリコン基板を用意し、実施例１と同様の方法により比較例１の複合基板を作製した。【００３０】
［評価］
実施例１及び比較例１の複合基板を、支持基板の第２面が上向きになるようにしてホットプレートに置き、２５０℃まで加熱した。そうしたところ、比較例１の複合基板は大きく反り、基板端部はホットプレート上面から約８ｍｍ浮き上がっていた。一方、実施例１の複合基板はわずかに反ったのみであり、基板端部はホットプレート上面から約２ｍｍ浮き上がっているだけだった。このように、実施例１の複合基板では、加熱による基板の変形が大きく抑制されることが確認できた。【００３１】
次に、実施例１及び比較例１の複合基板の圧電基板側の表面に１ポートのＳＡＷ共振器を作製し、周波数特性の温度変化係数（ＴＣＦ）を測定した。測定温度範囲は−３０℃〜９０℃とした。比較例１の複合基板のＴＣＦは−２０ｐｐｍ／℃であり、ＬｉＴａＯ3単板に比べて半分程度に改善されていた。一方、実施例１の複合基板のＴＣＦは−２５ｐｐｍ／℃であり、比較例１に比べてやや劣るものの、実用上十分な温度補償効果を示した。このように、実施例１の複合基板では、温度特性の改善効果も高いことが実証された。【００３２】
［実施例２］
支持基板として、基板厚み方向の熱膨張係数が図７に示すように変化する傾斜機能材料からなる厚み２００μｍ、直径１００ｍｍの基板を用意した。この支持基板は、第１面での熱膨張係数が１６ｐｐｍ／℃、中間位置での熱膨張係数が３ｐｐｍ／℃、第２面での熱膨張係数が１６ｐｐｍ／℃となるようにした。圧電基板として、実施例１と同じものを用意した。そして、支持基板と圧電基板との接合面に接着剤をそれぞれ０．３μｍの厚みで塗布した。その後、両基板を貼り合わせ、１００℃のオーブンで４時間養生し、両基板を仮接合した。そして、実施例１と同様の研磨方法により複合基板を作製した。再度複合基板を１８０℃のオーブンに投入し、８時間養生し、実施例２の複合基板を得た。【００３３】
［評価］
実施例２の複合基板について、実施例１と同様にして反りとＴＣＦの評価を行った。そうしたところ、複合基板の反りは更に抑制され、２５０℃まで加熱した際の基板端部のホットプレート上面からの浮き上がりは１ｍｍ以下であった。一方、ＴＣＦは−２７ｐｐｍ／℃であり、ＬｉＴａＯ3単板と比べると改善効果は認められるが、実施例１と比べるとやや効果は低めであった。また、接合界面に発生する熱応力は、計算によると実施例１に比べておおよそ１／４程度であった。そのため、耐熱性が大幅に向上すると期待される。このように、実施例２の複合基板では、ＴＣＦの改善効果は適度に得られたが、加熱による基板の変形は一段と大きく抑制され、また、接合界面に発生する熱応力も大きく抑えることができた。【００３４】
［実施例３］
支持基板として、基板厚み方向のヤング率が図８に示すように変化する傾斜機能材料からなる厚み２００μｍ、直径１００ｍｍの基板を用意した。この支持基板は、第１面でのヤング率が１６０ＧＰａ、第２面でのヤング率が２０ＧＰａとなるようにし、第２面から第１面に向かってヤング率が小さくなるようにした。なお、この支持基板の基板厚み方向の熱膨張係数は、３ｐｐｍ／℃（一定値）とした。そして、この支持基板を用いて、実施例１と同様の方法により実施例３の複合基板を作製した。【００３５】
［比較例２］
支持基板として、基板厚み方向の熱膨張係数が３ｐｐｍ／℃（一定値）、ヤング率が１６０ＧＰａ（一定値）の基板を用意し、実施例１と同様の方法により比較例２の複合基板を作製した。【００３６】
［評価］
実施例３及び比較例２の複合基板について、接合界面に発生する熱応力を計算したところ、比較例２に比べて実施例３では熱応力が１／３以下に激減した。一方、実施例３の複合基板の反りは大きく、２５０℃まで加熱した際の基板端部のホットプレート正面からの浮き上がりは１０ｍｍであった。また、実施例３のＴＣＦも−２９ｐｐｍ／℃であり、比較例３と同程度の結果となった。このように、実施例３の複合基板では、反りやＴＣＦの改善効果はあまり見られないものの、接合界面に発生する熱応力が激減した。【００３７】
本出願は、２０１３年３月２７日に出願された日本国特許出願第２０１３−６６３１９号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、ＳＡＷフィルタなどの弾性波デバイスに利用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  複合基板、１２  圧電基板、１４  支持基板、１４ａ  第１面、１４ｂ  第２面、１４ｃ  中間位置、３０  弾性波デバイス（弾性表面波デバイス）、３１  電極、３２，３４  ＩＤＴ電極、３６  反射電極、Ｌ１〜Ｌ３  パターン。
【要約】
複合基板１０は、圧電基板１２と該圧電基板１２よりも熱膨張係数の小さい支持基板１４とを接合したものである。支持基板１４は、圧電基板１２に接合されている第１面１４ａと該第１面１４ａとは反対側の第２面１４ｂとを有している。支持基板１４の厚さ方向の熱膨張係数は、第２面１４ｂから第１面１４ａと第２面１４ｂとの中間位置１４ｃまでは厚さ方向に進むにつれて小さくなっている。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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